冻融循环作用对土体边坡稳定性的影响研究

作     者：王丽黎 

作者单位：长安大学 

学位级别：硕士

导师姓名：高志华

授予年度：2016年

学科分类：081401[工学-岩土工程] 08[工学] 0814[工学-土木工程] 

主      题：粘土 冻融循环 塑性指数 黏聚力 内摩擦角 ANSYS 

摘      要：冻融过程中土结构由于受冷生作用的影响,导致冻融后其物理力学性质发生变化。在寒区进行路堑开挖、新削边坡等工程活动时,会使土体新近暴露于冻融作用之下,容易导致边坡发生破坏,对边坡结构的稳定性和安全性造成较大危害。本文主要以炉霍地区含碎石粘土和高液限粉土为研究对象,通过室内冻融循环试验和土工试验,研究不同含水量、不同干密度的两种土在不同冻融次数条件下,抗剪强度参数黏聚力c和内摩擦角φ的变化规律,并将得出的c、φ值的变化规律应用到边坡中。然后运用ANSYS有限元软件对不同冻融次数下的含碎石粘土边坡进行数值模拟,研究冻融循环作用对含碎石粘土边坡稳定性的影响。为寒区边坡工程冻融灾变预测和防治提供较可靠的试验与理论依据。本文通过试验及数值模拟分析,研究成果如下:(1)经过不同次数的冻融,含碎石粘土2 mm及以上的碎石及大颗粒粘土粒径不变,2 mm以下的细颗粒粘土有所增加但是变化的幅度较小。液限减小,塑限先增大后趋于稳定,塑性指数减小并且冻融次数超过5次时趋于稳定。随着冻融次数的增多,不同干密度下含水量为16.7%、21.4%的试样黏聚力增大,内摩擦角减小;含水量为19.0%的试样黏聚力减小,内摩擦角增大。不同含水量的试样在相同的冻融次数下黏聚力随着干密度的增大而减小,内摩擦角则增大。不同干密度的试样在相同的冻融次数下黏聚力和内摩擦角均随着含水量的增大而减小。根据试验数据推导出冻融循环次数、含水量和抗剪强度参数之间的关系。并且含碎石粘土的抗剪强度随着冻融次数的增加是逐步降低的。(2)经过不同次数的冻融,高液限粉土颗粒组成变化是细颗粒土不断增加。液限变化不大,塑限减小,塑性指数先增大后减小。不同干密度下三种含水量的试样黏聚力随着冻融次数的增加而减小,内摩擦角则增大;不同含水量的试样在相同的冻融次数下黏聚力和内摩擦角均随着干密度的增大而增大;不同干密度的试样在相同的冻融次数下黏聚力随着含水量的增大而减小,内摩擦角则增大。未经过冻融的高液限粉土随着含水量的增加,抗剪强度逐步降低并且衰减幅度增大,大孔径孔隙高液限粉土对水的作用非常敏感。试样的含水量越大,抗剪强度对冻融循环次数的敏感度就越大。(3)利用ANSYS软件对不同冻融次数下的含碎石粘土边坡进行了数值模拟。模拟分析得出:经过不同冻融次数的边坡安全系数有明显的减小,并且边坡发生失稳破坏时经过冻融的边坡比未冻融边坡的最大位移量大,冻融作用对边坡的稳定性有较大的影响。